Cold spray is een afzettingsproces in vaste toestand waarbij aluminiumpoeder in een verwarmde, onder druk staande gasstroom wordt versneld tot supersonische snelheid en bij impact aan een substraat wordt gebonden door ernstige plastische vervorming. Omdat de deeltjes nooit smelten, slaat het proces aluminium af bij een temperatuur ver onder het smeltpunt van het materiaal. Daarom is het een beproefde methode geworden om versleten of beschadigde aluminium onderdelen te herstellen in plaats van ze te slopen. Reparaties worden laag voor laag opgebouwd en vervolgens afgewerkt met conventionele bewerking. De technologie wordt dus gebruikt voor maatherstel, voor het afdichten van porositeit en voor het toevoegen van een corrosiebestendige of geleidende laag aan een bestaand onderdeel.
Hoe aluminium koudspuitverlijming werkt
De binding hangt af van de deeltjessnelheid en niet van de warmte. Elk poederdeeltje moet een kritische snelheid overschrijden voor het specifieke materiaal en de deeltjesgrootte; onder die drempel veert het deeltje eenvoudigweg terug en erodeert het oppervlak, terwijl het deeltje ver daarboven vervormt en een metallurgische binding vormt met de onderliggende laag. Voor puur aluminium liggen de kritische snelheden doorgaans in het bereik van ongeveer 600 tot 700 m/s, en de exacte waarde hangt af van de poedergrootteverdeling, het zuurstofgehalte en het drijfgas.
Drijfgas:stikstof is de standaardkeuze voor aluminium, terwijl helium dezelfde snelheid mogelijk maakt bij een lagere gastemperatuur en lagere stagnatiedruk.
Gasomstandigheden:inlaatdrukken van ongeveer 2 tot 5 MPa met gasvoorverwarming tot ongeveer 500 graden C zijn typisch voor aluminiumafzetting.
Poeder:bolvormig, gasverneveld aluminiumpoeder in het bereik van ongeveer 15 tot 45 micrometer geeft de meest consistente afzettingsefficiëntie.
Standoff en traverse:afstand tussen mondstuk en substraat van ongeveer 10 tot 30 mm, met een robottraverse die de depositiehoek vrijwel loodrecht houdt.
Afzettingsefficiëntie:doorgaans 70 tot 90 procent voor aluminium op een aluminiumsubstraat met de juiste parameters, terwijl de rest bestaat uit overspray die wordt opgevangen en gerecycled.
De deeltjessnelheid wordt niet direct in de straal gemeten, dus worden instrumenten zoals Doppler-snelheidsmeters gebruikt om de pluim te karakteriseren en te monitoren; kalibratie van deze instrumenten met gedefinieerde bedrijfsurenintervallen is een standaard kwaliteitsvereiste in gekwalificeerde koelspuitwerkplaatsen. Procesvensters worden experimenteel vastgesteld voor elke poeder- en substraatcombinatie, omdat de kritische snelheid verschuift met het legeringsgehalte, en aluminiumlegeringen met een hoog magnesium- of siliciumgehalte zich anders gedragen dan commercieel zuiver aluminium.
Voorbereiding van de ondergrond en dimensionaal herstel
De kwaliteit van de verbinding wordt bepaald vóór de eerste passage. Het substraat wordt ontvet en vervolgens geactiveerd door gritstralen met schoon aluminiumoxide of een vergelijkbaar schuurmiddel om oxide te verwijderen en een verankeringsprofiel te creëren. Alle olie, vocht of losse oxide die op het oppervlak achterblijft, wordt een delaminatievlak, zodat het interval tussen voorbereiding en spuiten wordt gecontroleerd en het oppervlak de hele tijd droog en stofvrij wordt gehouden.
Voor dimensionaal herstel wordt het beschadigde gebied eerst voorbereid door machinaal of slijpen om gescheurd en vervuild materiaal te verwijderen en gezond metaal bloot te leggen, en de rand van de reparatieholte wordt over het algemeen afgeschuind zodat de gespoten laag mechanisch aan de grens wordt verankerd. De spuithoeken worden vrijwel loodrecht gehouden en de coating wordt in gecontroleerde lagen ingebouwd die de temperatuurstijging in het onderdeel beperken. Dunwandige constructies profiteren vooral van deze aanpak, omdat de lage warmte-inbreng de vervorming en de door hitte beïnvloede zone vermijdt die fusieprocessen zoals lassen of lasercladding veroorzaken.
| Reparatiefase | Typisch controlepunt |
|---|---|
| Poederbehandeling | Traceerbaarheid van batches, vochtcontrole, verificatie van de deeltjesgrootte |
| Voorbereiding van het oppervlak | Straalprofiel en zuiverheid, maximale houdbaarheid vóór het spuiten |
| Afzetting | Gasdruk en -temperatuur, verplaatsingssnelheid, impasse, aantal slagen |
| Na-verwerking | Warmtebehandeling of heet isostatisch persen, machinaal bewerken tot de uiteindelijke afmeting |
| Inspectie | Porositeitsniveau, hechtsterkte, hardheid, geleidbaarheid, restspanning |
Na-verwerking die de reparatiekwaliteit verbetert
Omdat gespoten aluminium een door werk geharde, enigszins poreuze structuur is, worden de eigenschappen van het gerepareerde gebied meestal verbeterd door een thermische of mechanische behandeling na het aanbrengen.
Heet isostatisch persen:drukken bij ongeveer 350 graden C of hoger kan de grote meerderheid van de holtes tussen de deeltjes dichten en de dichtheid en vermoeiingsprestaties verhogen tot dichtbij de gewenste waarden.
Warmtebehandeling:een gecontroleerde uitgloei- of verouderingscyclus, afgestemd op de substraatlegering, verlicht de restspanning en herstelt, bij precipitatiehardende legeringen, een deel van de sterkte die verloren is gegaan tijdens de oorspronkelijke gebruiksschade.
Lasershockpeening of shotpeening:introduceert drukspanning aan het oppervlak en kan de levensduur van vermoeiing vergroten wanneer het gerepareerde gebied zwaar wordt belast.
Micro-boogoxidatie of anodiseren:biedt corrosiebescherming op het afgewerkte oppervlak en wordt vaak gespecificeerd voor onderdelen die worden blootgesteld aan vochtige of zoute omstandigheden.
CNC-afwerking:brengt de afzetting terug naar de tekeningafmetingen en kan een oppervlakteafwerking bereiken van Ra 0,8 micrometer of beter, passend bij het omringende bewerkte oppervlak.
Normen, kwalificatie en inspectie
Voor gekwalificeerd koudspuitwerk gelden formele processpecificaties; de depositienorm voor militaire materialen voor koude spray is het gebruikelijke referentiekader, ondersteund door de algemene metallurgische testmethoden die elders in de productie worden gebruikt. Spanningstests volgen ASTM E8/E8M, micro-indentatiehardheidstests volgen ASTM E384, en corrosieverificatie van de voltooide afzetting maakt gebruik van neutrale zoutsproeitests volgens ISO 9227 of ASTM B117. Wanneer het gerepareerde onderdeel elektrisch geleidend moet blijven, wordt een wervelstroomgeleidingsmeting gebruikt om te bevestigen dat de afzetting binnen een bepaald percentage van de waarde van het basismateriaal ligt.
Typische acceptatiecriteria voor een vluchtkritische aluminiumreparatie zijn onder meer een porositeit van minder dan ongeveer 0,3 procent in de afgezette laag, hechtsterkte gemeten door trek- of schuiftesten van getuigencoupons, restspanning geverifieerd door röntgendiffractie waar de vereiste veeleisend is, en dimensionale inspectie met inachtneming van de tekentolerantie. Niet-destructieve inspectie combineert ultrasoon testen op interne defecten en computertomografiescannen van dikke secties, meestal groter dan ongeveer 3 mm, om te bevestigen dat er geen ongebonden gebied of leeg netwerk overblijft. Elke batch poeder, elke gascilinder en elke procesparameterset wordt geregistreerd, zodat een reparatie volledig te herleiden is tot de inputmaterialen.
Waar Cold Spray-reparatie wordt toegepast
Aluminium koudspuitreparatie wordt gebruikt in de luchtvaart, spoorwegen, energie en algemene techniek. Compressorbehuizingen, versnellingsbakbehuizingen, pomplichamen, klepzittingen, cilinderkoppen en onderdelen van de warmtewisselaar worden allemaal routinematig hersteld, evenals dunwandige panelen waarbij vervorming moet worden vermeden. De technologie wordt ook gebruikt om materiaal aan nieuwe onderdelen toe te voegen, bijvoorbeeld door een geleidende aluminiumlaag op een ongelijksoortig substraat aan te brengen of een corrosiebestendige huid op een gietstuk aan te brengen. Draagbare systemen hebben reparaties ter plaatse praktisch gemaakt: een reparatie waarvoor ooit een volledige lasprocedure en een langdurige stilstand nodig was, kan nu in één ploegendienst worden voltooid, waarbij de na-bewerking ter plaatse wordt uitgevoerd.
Veelgestelde vragen
Vraag: Waar wordt aluminiumreparatie met koud spuiten voor gebruikt?
Het herstelt versleten, gecorrodeerde of ondermaatse aluminium componenten door metaal op te bouwen zonder het te smelten. Het wordt toegepast op behuizingen, behuizingen, pomp- en kleplichamen, panelen en warmtewisselaars, gevolgd door machinale bewerking tot de uiteindelijke maat.
Vraag: Waarom is de deeltjessnelheid belangrijker dan de temperatuur?
De binding wordt veroorzaakt door plastische vervorming bij een botsing, dus elk deeltje moet een materiaalspecifieke kritische snelheid overschrijden, ongeveer 600 tot 700 m/s voor puur aluminium. Beneden die waarde kaatsen de deeltjes terug en eroderen het oppervlak in plaats van dat ze zich hechten.
Vraag: Verzwakt of vervormt koud spuiten het basisonderdeel?
Omdat de afzetting ruim onder het smeltpunt blijft, is de door hitte beïnvloede zone klein en wordt vervorming beperkt, wat het belangrijkste voordeel is ten opzichte van lassen en lasercladden, vooral bij dunwandige onderdelen.
Vraag: Is een warmtebehandeling nodig na koude sproeiafzetting?
Niet altijd, maar heet isostatisch persen of een geschikte verouderingscyclus van een legering sluit de porositeit tussen de deeltjes, verlicht de restspanning en verbetert de vermoeidheidsprestaties, dus dit is gebruikelijk bij zwaar belaste of veiligheidskritische reparaties.
Vraag: Hoe worden reparaties van koud gespoten aluminium geïnspecteerd?
De porositeit wordt gecontroleerd op coupons en op het onderdeel, de hechtsterkte wordt geverifieerd met getuigenmonsters, de geleidbaarheid wordt bevestigd door wervelstroomtesten, en ultrasone of computertomografiescans detecteren interne holtes en niet-gebonden gebieden.
Vraag: Welke voorbereiding van het oppervlak is vereist?
Het substraat wordt ontvet en vervolgens gestraald met een schoon schuurmiddel om oxide te verwijderen en een verankeringsprofiel te creëren. Het spuiten begint binnen een gecontroleerde houdtijd, zodat het geactiveerde oppervlak niet opnieuw- oxideert of vervuild raakt.
